Расчет температур грунтов здания 75х18 метров
Рассмотрим выполнение прогнозного моделирования температурного поля грунтов основания здания с размерами 75х18 метров в плане. Для термостабилизации грунтов оснований здания применяется проветриваемое подполье. В данном примере рассматривается тепловое воздействие на грунты от различных вариантов заполнения свай оболочек.
Примечание: Пример подготовлен с использованием материалов ПАО «ВНИПИгаздобыча». Строительные решения, климатические параметры, геологические и геокриологические условия, последовательность строительных работ изменены для целей примера расчета и не соответствуют реальному объекту.
Климатические характеристики
Климатические характеристики района строительства приведены в таблице.
| Показатель | Месяцы | |||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| I | II | III | IV | V | VI | VII | VIII | IX | X | XI | XII | |
| Температура в-ха, ⁰С | -23.7 | -22.9 | -14.4 | -8.2 | 0.0 | 9.9 | 15.7 | 12.0 | 5.7 | -4.2 | -15.2 | -20.9 |
| Скорость ветра, м/с | 3.0 | 3.1 | 3.3 | 3.5 | 3.8 | 3.8 | 3.3 | 3.0 | 3.2 | 3.3 | 3.0 | 2.9 |
| Высота снега, м | 0.53 | 0.62 | 0.68 | 0.65 | 0.28 | - | - | - | - | 0.08 | 0.25 | 0.40 |
Геокриологические условия
Геокриологические условия площадки характеризуются сплошным развитием многолетнемерзлых грунтов, мерзлота сливающегося типа. Температура грунтов на глубине 10 метров составляет минус 1,0 ⁰С.
В материалах рабочей документации имеются лабораторные измерения части теплофизических свойств грунтов. Т.к. из представленных на геологическом разрезе данных по фактическим характеристикам теплофизических свойств не ясны условия, при которых производились измерения, то при моделировании температурного поля приняты расчетные характеристики грунтов.
| Наименование показателя | Обозначение | Ед.измерения | Насыпной грунт | ИГЭ №141100. Суглинок слабольдистый незасоленый | ИГЭ №141000Э. Суглинок нельдистый | ИГЭ №140200. Суглинок тугопластичный |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Физические свойства | ||||||
| Плотность грунта в сухом состоянии | Rdf | кг/м3 | 1740 | 1445 | 1840 | 1530 |
| Суммарная влажность | Wtot | д.е. | 0,18 | 0,306 | 0,149 | 0,252 |
| Степень засоленности | Dsal | % | - | 0,049 | 0,059 | 0,057 |
| Число пластичности | Ip | д.е. | - | 0,121 | 0,102 | 0,131 |
| Влажность на границе раскатывания | Wp | д.е. | - | 0,181 | 0,207 | 0,204 |
| Теплофизические свойства | ||||||
| Температура начала замерзания | Tbf | ⁰С | -0,15 | -0,12 | -0,17 | -0,34 |
| Теплопроводность талого грунта | λth | Вт/(м*К) | 2,32 | 1,59 | 1,55 | 1,5 |
| Теплопроводность мерзлого грунта | λf | Вт/(м*К) | 2,73 | 1,81 | 1,76 | 1,75 |
| Объемная теплоемкость талого грунта | Cth | МДж/м3 | 2,63 | 3,17 | 2,79 | 3,01 |
| Объемная теплоемкость мерзлого грунта | Cf | МДж/м3 | 1,93 | 2,32 | 2,38 | 2,33 |
| Коэффициенты кривой незамерзшей воды Ww(t)= A + B / (C - t), где t - температура, ⁰С | А | - | 0,0013 | 0,066 | 0,0686 | 0,0786 |
| B | - | 0,0016 | 0,1001 | 0,2051 | 0,0971 | |
| C | - | 0,4452 | 0,5611 | 2,3777 | 0,4059 | |
| Теплота фазового перехода | Qf | МДж/м3 | - | - | - | - |
Строительные решения
Техническими решениями предусматривается сооружение здания на стальном каркасе со стенами из сандвич-панелей. Здание устанавливается на свайный фундамент на проветриваемом подполье.
Грунты основания используются по I принципу, т.е. с сохранением мерзлого состояния в процессе строительства и эксплуатации.
Сваи фундамента погружаются в грунт буроопускным способом. Технология погружения свай рассматривается по следующим вариантам:
- Вариант 1. Заполнение свай бетоном.
Заполнение свай по данному варианту осуществляется согласно требованиям п.6.3.10 СП 25.13330.2012, при этом бетон Б7,5 замен на раствор М100 исходя из рисков невозможности погружения сваи в раствор с щебенистым заполнителем.
Бурится скважина диаметром большим чем погружаемая свая. Скважина заполняется цементно-песчаным раствором (ЦПР). Объем ЦПР определяется из расчета выдавливания его в затрубное пространство при погружении сваи. Укладываемый раствор должен иметь положительную температуру (зимой подогреть до 20 ⁰С). Затрубное пространство сваи на высоту сезонно-талого слоя заполняется сухим непучинистым грунтом. Внутренняя полость сваи заполняется ЦПР имеющим иметь положительную температуру (зимой подогретым до 20 ⁰С).
- Вариант 2. Заполнение свай грунтом.
Заполнение свай по данному варианту осуществляется согласно требованиям п.3.19 действовавшего ранее СНиП 2.02.04-88.
Бурится скважина диаметром большим чем погружаемая свая. Скважина заполняется грунтовым раствором. Укладываемый раствор должен иметь положительную температуру. Затрубное пространство сваи на высоту сезонно-талого слоя заполняется сухим непучинистым грунтом. Внутренняя полость сваи заполняется сухим грунтом или сухой цементно-песчаной смесью, а на высоту сезонно-талого слоя заполняется бетоном B15. Усредненная температура по свае и затрубном пространстве принята 10⁰С.
Температурная стабилизация грунтов оснований (ТСГ)
Данный пример предусматривает использование только проветриваемого подполья для термостабилизации грунтов оснований.
Прогноз температурного режима грунтов
Прогнозное моделирование осуществлялось с учетом требований к порядку составления прогноза изменения температурного режима грунтов, РСН 31-83 (п. 1.6., 2.35., 3.15.- 3.19., 4.16.-4.19.) и РСН 67-87. Расчеты выполнялись на программе «Борей 3D» (www.boreas3d.ru). Программа Борей 3D сертифицирована на предмет соответствия нормативных документов. Сертификат №RA.RU.АБ86.H01114.
Моделирование температурного режима грунтов осуществляется в трехмерной постановке. Моделируемая область является трехмерным параллелепипедом, ограниченным сверху дневной поверхностью на нижней и боковых гранях расчетной области, задается нулевой тепловой поток.
Размеры области определяются конструктивно-техническими особенностями рассматриваемого объекта (геотехнической системы), расчетным сроком моделирования, а также симметричностью тепловых расчетов в горизонтальной плоскости относительно вертикальной оси, проходящей через геометрический центр сооружения, исходя из условия исключения теплового влияния границ области на результаты расчета (его отсутствия через боковые границы).
Этапы выполнения строительства
Расчет выполнялся с поэтапным моделированием строительного периода:
- Первый этап – возведение насыпи.
Моделировалось изменение теплового режима грунтов при возведении насыпи. Для данных расчетов принят вариант возведения насыпи в конце зимнего периода мерзлым грунтом. Срок прогноза составлял один календарный год. В качестве начального температурного поля приняты значения температур грунтов полученные при процедуре адаптации граничных условий. - Второй этап – период эксплуатации.
Моделировалось тепловое воздействие от строительства и эксплуатации сооружения. Погружения свай, СОУ и засыпка контейнера с емкостями приняты на момент 15 мая. Температурное с первого этапа моделирования (возведения насыпи) принято в качестве начального температурного поля грунтов.
Адаптация условий теплообмена
Теплообмен на поверхности земли зависит от большого числа факторов: альбедо естественных или искусственных поверхностей, прямой и рассеянной солнечной радиации, конвективной (скорость ветра на поверхности земли), инфильтрации и испарения влаги, кондуктивной составляющей (теплопроводность и мощность растительного и снежного покровов) и т.д. Влияние некоторых из них на формирование теплового режима сложно корректно оценить. В связи с этим, расчеты производятся с использованием эффективных величин коэффициента теплопередачи. Методика расчета эффективной величины коэффициента теплопередачи (адаптации) реализована в ПО Борей 3D в автоматическом режиме. Методика адаптации будет приведена на сайте.
Значения адаптированных граничных условий приведены в таблице ниже.
| Показатель | Месяцы | |||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| I | II | III | IV | V | VI | VII | VIII | IX | X | XI | XII | |
| Температура в-ха, ⁰С | -23,7 | -22,9 | -14,4 | -8,2 | 0,0 | 9,9 | 15,7 | 12,0 | 5,7 | -4,2 | -15,2 | -20,9 |
| Скорость ветра, м/с | 3,0 | 3,1 | 3,3 | 3,5 | 3,8 | 3,8 | 3,3 | 3,0 | 3,2 | 3,3 | 3,0 | 2,9 |
| Теплоотдача, Вт/(м2*К) | 9,53 | 9,77 | 10,25 | 10,73 | 11,45 | 11,45 | 10,25 | 9,53 | 10,01 | 10,25 | 9,53 | 9,29 |
| Высота снега, м | 0,230 | 0,269 | 0,295 | 0,282 | 0,122 | - | - | - | - | 0,035 | 0,109 | 0,174 |
| Плотность снега, кг/м3 | 131 | 138 | 143 | 150 | 348 | - | - | - | - | 96 | 110 | 121 |
| Теплопроводность снега, Вт/(м*К) | 0,192 | 0,200 | 0,206 | 0,214 | 0,575 | - | - | - | - | 0,155 | 0,168 | 0,181 |
| Коэффициент теплопередачи, Вт/(м2*К) | 0,767 | 0,691 | 0,652 | 0,708 | 3,348 | 11,450 | 10,250 | 9,530 | 10,010 | 3,112 | 1,333 | 0,935 |
Расчетная область
Расчетная область представляет собой параллелепипед с размерами 150 х 80 х 50 метров. Расчетная область показана на рисунке.
Схема расположения свай и строительных конструкций в модели приведена на рисунке.
На верхней границе расчетной области задавались адаптированные граничные условия третьего рода с учетом снежного покрова, а также граничные условия, характеризующие работу проветриваемого подполья. На нижней границе и на боковых границах расчетной области – граничные условия второго рода, тепловой поток равен нулю.
По варианту 1, в расчете учтено тепловое влияние от свай при устройстве фундамента, как с подогревом бетона при бетонировании свай, так и с теплом, выделяемым при гидратации. График тепловыделения от цементно-песчаного раствора М100 приведен на рисунке.
Область исследования разбивается на прямоугольные элементы произвольных размеров. Разбивка производится горизонтальными и вертикальными плоскостями (разбивочными плоскостями), параллельными соответствующим границам области. В расчетной области шаг горизонтальной сетки изменялся в пределах от 0,1 до 1,0 м. Вертикальная разбивка осуществлялась в пределах от 0.1 до 3.0 м. Расчетная область состоит из 462х151х69 ячеек (4,8 млн. ячеек).
Результаты расчета
Результаты расчета приведены на рисунках ниже.
Трехмерное температурное поле на 15 сентября 1-го года эксплуатации.
Сечение (разрез) температурного поля грунтов оснований.
Температурное поле грунтов на 15 мая 1-го года (начало эксплуатации).
Заполнение свай бетоном
Заполнение свай грунтом
Температурное поле грунтов на 15 октября 1-го года.
Заполнение свай бетоном
Заполнение свай грунтом
Температурное поле грунтов на 15 октября 2-го года.
Заполнение свай бетоном
Заполнение свай грунтом
Температурное поле грунтов на 15 октября 3-го года.
Заполнение свай бетоном
Заполнение свай грунтом
Температурное поле грунтов на 15 октября 5-го года.
Заполнение свай бетоном
Заполнение свай грунтом
Вариант 1. Заполнение свай бетоном.
Расчетные температуры по термометрической скважине т.скв.2 (показана на схеме расположения элементов модели), расположенной под зданием приведены в таблице.
| Глубина, м | Температура грунта по термометрической скважине, ⁰С | |||
|---|---|---|---|---|
| На начало расчета (15 мая) | На конец летних периодов (15 октября) | |||
| 1 год | 2 год | 3 год | ||
| 1,0 | -1,71 | 1,86 | -0,09 | -0,09 |
| 2,0 | -1,50 | -0,15 | -0,27 | -0,30 |
| 3,0 | -0,80 | -0,16 | -0,70 | -0,81 |
| 4,0 | -0,90 | -0,21 | -0,82 | -0,96 |
| 5,0 | -1,04 | -0,32 | -0,80 | -0,93 |
| 6,0 | -1,08 | -0,39 | -0,79 | -0,88 |
| 7,0 | -1,07 | -0,40 | -0,79 | -0,85 |
| 8,0 | -1,05 | -0,39 | -0,81 | -0,85 |
| 9,0 | -1,02 | -0,37 | -0,82 | -0,86 |
| 10,0 | -1,01 | -0,36 | -0,83 | -0,87 |
| 11,0 | -1,00 | -0,37 | -0,85 | -0,88 |
| 12,0 | -1,00 | -0,47 | -0,87 | -0,90 |
| 13,0 | -0,99 | -0,68 | -0,89 | -0,91 |
| 14,0 | -0,99 | -0,86 | -0,91 | -0,92 |
| 15,0 | -0,98 | -0,95 | -0,93 | -0,93 |
Вариант 2. Заполнение свай грунтом.
Расчетные температуры по термометрической скважине т.скв.2 (показана на схеме расположения элементов модели), расположенной под зданием приведены в таблице.
| Глубина, м | Температура грунта по термометрической скважине, ⁰С | |||
|---|---|---|---|---|
| На начало расчета (15 мая) | На конец летних периодов (15 октября) | |||
| 1 год | 2 год | 3 год | ||
| 1,0 | -1,71 | -0,08 | -0,09 | -0,09 |
| 2,0 | -1,50 | -0,22 | -0,28 | -0,30 |
| 3,0 | -0,80 | -0,60 | -0,80 | -0,86 |
| 4,0 | -0,90 | -0,79 | -0,97 | -1,04 |
| 5,0 | -1,04 | -0,87 | -0,98 | -1,04 |
| 6,0 | -1,08 | -0,91 | -0,96 | -1,00 |
| 7,0 | -1,07 | -0,93 | -0,95 | -0,97 |
| 8,0 | -1,05 | -0,93 | -0,96 | -0,97 |
| 9,0 | -1,02 | -0,92 | -0,97 | -0,97 |
| 10,0 | -1,01 | -0,91 | -0,97 | -0,97 |
| 11,0 | -1,00 | -0,91 | -0,97 | -0,97 |
| 12,0 | -1,00 | -0,92 | -0,97 | -0,97 |
| 13,0 | -0,99 | -0,94 | -0,97 | -0,97 |
| 14,0 | -0,99 | -0,96 | -0,97 | -0,97 |
| 15,0 | -0,98 | -0,97 | -0,97 | -0,97 |
Время выполнения расчета модели, состоящей из 4,8 млн. ячеек на 30-ти летний период составляет:
- На центральном процессоре (Intel i7-6700К) — 20 часов 10 минут.
- На видеокарте (GeForce GTX 1080) — 54 минуты.
Выводы
Исходя из представленных расчетов можно сделать вывод о том, что тепловыделения от свай при заполнении свай цементно-песчаными раствором и гидратации цемента в процессе твердения приводит к повышению температур грунтов. Восстановление исходного температурного состояния, в результате работы проветриваемого подполья, происходит в течении 5-6 лет эксплуатации.
Файлы для загрузки
Файлы примера доступны по ссылке.